(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）上にアルミニウムと窒素と酸素とを少なくとも含有するＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程と、
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）上に窒化物半導体層（３，４，５，６，７，８）を形成する工程と、を含み、
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、窒素ガスと酸素ガスとを連続的に導入して排気する雰囲気中においてアルミニウムをターゲット（２６）とした反応性スパッタ法で形成され、
前記雰囲気は、前記窒素ガスの流量と前記酸素ガスの流量の合計に対する前記酸素ガスの流量の比が０．５％以下の雰囲気であることを特徴とする、窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項２】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）の酸素濃度が１原子％以上１０原子％以下となるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項３】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）の酸素濃度が前記ＡｌＮＯバッファ層（２）中で均一となるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項４】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）の波長４５０ｎｍの光に対する屈折率が２以上２．１以下となるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項５】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）の膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項６】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記基板（１）の表面の９０％以上を覆うように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項７】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、前記基板（１）の温度が３００℃以上１０００℃以下の温度で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項８】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）の形成直前の雰囲気の圧力が１×１０-4Ｐａ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項９】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程に先立って、スパッタ装置のチャンバ内のダミー放電を行なう工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１０】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、０．２Ｐａ以上の雰囲気の圧力下で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１１】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ＡｌＮＯバッファ層（２）は、０．０１ｎｍ／秒以上１ｎｍ／秒以下の形成速度で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１２】
前記基板（１）はサファイア基板を含み、
前記窒化物半導体層（３，４，５，６，７，８）は、ｎ型窒化物半導体層（４，５）と、窒化物半導体活性層（６）と、ｐ型窒化物半導体層（７，８）と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１３】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記反応性スパッタ法は１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の距離に配置された前記基板（１）と前記ターゲット（２６）との間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ法により行なわれることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１４】
前記ＡｌＮＯバッファ層（２）を形成する工程において、前記ターゲット（２６）は前記基板（１）の表面に対して傾けて配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の窒化物半導体素子（１００）の製造方法により製造された、窒化物半導体発光素子（１００）。
【請求項１６】
請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子（１００）を含む、発光装置（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子の製造方法、窒化物半導体発光素子および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）は、赤外から紫外領域の波長を有する光のエネルギに相当するバンドギャップを有しているため、赤外から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子やその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。【０００３】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。【０００４】
さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、取り扱いやすい材料としても注目されている。【０００５】
上述したような優れた材料であるＩＩＩ族窒化物半導体を用いて実用的な窒化物半導体素子を作製するためには、所定の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体の薄膜からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を積層して、所定の素子構造を形成する必要がある。【０００６】
ここで、基板としては、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を直接成長させることが可能な格子定数や熱膨張係数を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる基板を用いることが最も好適であり、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる基板としては、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板などを用いることが好ましい。【０００７】
しかしながら、ＧａＮ基板は、現状ではその寸法が直径２インチ以下と小さく、また非常に高価であるため、実用的ではない。【０００８】
そのため、現状では、窒化物半導体素子の作製用の基板としては、ＩＩＩ族窒化物半導体とは格子定数差および熱膨張係数差が大きいサファイア基板や炭化珪素（ＳｉＣ）基板などが用いられている。【０００９】
サファイア基板と代表的なＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮとの間には約１６％程度の格子定数差が存在する。また、ＳｉＣ基板とＧａＮとの間には約６％程度の格子定数差が存在する。このような大きな格子定数差が基板とその上に成長するＩＩＩ族窒化物半導体との間に存在する場合には、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶をエピタキシャル成長させることは一般的に困難である。たとえば、サファイア基板上に直接ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた場合には、ＧａＮ結晶の３次元的な成長が避けられず、平坦な表面を有するＧａＮ結晶が得られないという問題がある。【００１０】
そこで、基板とＩＩＩ族窒化物半導体との間に、基板とＩＩＩ族窒化物半導体との間の格子定数差を解消させるための所謂バッファ層と呼ばれる層を形成することが一般的に行なわれている。【００１１】
たとえば、特許文献１（特許第３０２６０８７号公報）には、サファイア基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のバッファ層を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって形成した後に、ＡｌxＧａ1-xＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる方法が記載されている。【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載の方法においても、平坦な表面を有するＡｌＮのバッファ層を再現性良く得ることは困難であった。これは、ＭＯＶＰＥ法によってＡｌＮのバッファ層を形成する場合には、原料ガスとして用いられるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスとが気相中で反応しやすいためと考えられる。【００１３】
したがって、特許文献１に記載の方法においては、表面が平坦であって、かつ欠陥密度が小さい高品質のＡｌxＧａ1-xＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体をＡｌＮのバッファ層上に再現性良く成長させることは困難であった。【００１４】
また、たとえば特許文献２（特公平５−８６６４６号公報）には、サファイア基板上に直流バイアスを印加した高周波スパッタ法でＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層を形成する方法が開示されている。【００１５】
しかしながら、特許文献２に記載されている方法によってＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体は、特許文献３の段落[０００４]および特許文献４の段落[０００４]に記載されているように、優れた結晶性を有するものではなかった。【００１６】
そこで、特許文献３（特許第３４４０８７３号公報）には、ＤＣマグネトロンスパッタ法で形成したＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスの雰囲気下で熱処理する方法が提案されており、また、特許文献４（特許第３７００４９２号公報）には、４００℃以上に昇温されたサファイア基板上にＤＣマグネトロンスパッタ法によって５０オングストローム以上３０００オングストローム以下の膜厚のＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する方法が提案されている。【００１７】
また、特許文献５（特開２００６−４９７０号公報）には、サファイア基板上に、Ａｌ2Ｏ3層、ＡｌＯxＮy層、およびＡｌＮ層の順序で３層を積層する技術が開示されている。これら３層は、ＥＣＲ(Electron  Cyclotron  Resonance)プラズマを用いた反応性スパッタ法により形成され、サファイア基板とこれら３層の最表層ＡｌＮ層との格子定数の差を緩和するために、サファイア基板とＡｌＮ層との間にＡｌ2Ｏ3層とＡｌＯxＮy層とが挿入されている（特許文献５の段落［００１９］〜［００２３］）。そして、ＡｌＮ層上にさらにＭＯＶＰＥ法によりｐ型ＧａＮからなるバッファ層を形成し、このバッファ層上に窒化物半導体層を形成する方法が提案されている（特許文献５の段落［００２４］）。【００１８】
さらに、特許文献６（特開２００９−８１４０６号公報）には、基板上に反応性スパッタ法によってバッファ層が形成され、その上にＭＯＶＰＥ法によるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する技術が開示されている。ここで、バッファ層は、酸素を含有し、かつ、バッファ層中の酸素濃度が１原子％以下とされることが好ましいとされている（特許文献６の段落［００２８］）。これは、バッファ層中の酸素濃度が１原子％を超えると、バッファ層中の酸素が多くなりすぎ、基板とバッファ層との間の格子定数の整合性が低下し、バッファ層としての機能が低下するものと推察されるためとされている（特許文献６の段落［００２８］）。【００１９】
また、特許文献６には、反応性スパッタ法によって形成したバッファ層に酸素が含まれる原因として、スパッタ装置のチャンバ内壁に付着した水分等の酸素含有物がスパッタによって内壁から叩き出され、基板上に積層されるバッファ層に不可避的に酸素が混入されるとされている（特許文献６の段落［００２８］）。【００２０】
そして、特許文献６においては、バッファ層中における酸素濃度を１原子％以下とするために、バッファ層の形成に先立って、チャンバ内において１６回のダミー放電を繰り返すことによってチャンバ内を減圧し、６×１０-6Ｐａまで内圧を低下させ、チャンバ内の不純物を除去している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特許第３０２６０８７号公報
【特許文献２】特公平５−８６６４６号公報
【特許文献３】特許第３４４０８７３号公報
【特許文献４】特許第３７００４９２号公報
【特許文献５】特開２００６−４９７０号公報
【特許文献６】特開２００９−８１４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記の特許文献３〜６に記載の各種スパッタ法により、主にＡｌＮから成るバッファ層（以下、ＡｌＮバッファ層）を形成した場合には、スパッタ装置のチャンバの内壁に付着した水分などの酸素含有物がスパッタによって内壁から叩きだされ、成膜中のＡｌＮバッファ層に酸素が不可避的に混入する。また、チャンバに残存する酸素含有物の量も経時的に変化するため、スパッタ中にチャンバの内壁から叩きだされる酸素含有物の量も変化し、その結果、バッファ層中の酸素含有量が安定しない、つまりバッファ層の結晶性の再現性に乏しいという問題があった。バッファ層の結晶性の再現性に乏しい場合には、バッファ層上に形成される窒化物半導体層の結晶性の再現性も乏しくなる。【００２３】
また、特許文献６に記載されているように、バッファ層の形成に先立って、チャンバ内において１６回のダミー放電を繰り返した場合には、ダミー放電に要する処理時間が長くなるため、バッファ層上の窒化物半導体層および窒化物半導体素子を効率的に製造することができないという問題があった。【００２４】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、優れた結晶性を有する窒化物半導体層を再現性良く形成して優れた特性を有する窒化物半導体素子を効率良く製造することができる窒化物半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、基板上にアルミニウムと窒素と酸素とを少なくとも含有するＡｌＮＯバッファ層を形成する工程と、ＡｌＮＯバッファ層上に窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、窒素ガスと酸素ガスとを連続的に導入して排気する雰囲気中においてアルミニウムをターゲットとした反応性スパッタ法で形成され、雰囲気は、窒素ガスの流量と酸素ガスの流量の合計に対する酸素ガスの流量の比が０．５％以下の雰囲気である窒化物半導体素子の製造方法である。【００２６】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、ＡｌＮＯバッファ層の酸素濃度が１原子％以上１０原子％以下となるように形成されることが好ましい。【００２７】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、ＡｌＮＯバッファ層の酸素濃度がＡｌＮＯバッファ層中で均一となるように形成されることが好ましい。【００２８】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、ＡｌＮＯバッファ層の波長４５０ｎｍの光に対する屈折率が２以上２．１以下となるように形成されることが好ましい。【００２９】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、ＡｌＮＯバッファ層の膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように形成されることが好ましい。【００３０】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、基板の表面の９０％以上を覆うように形成されることが好ましい。【００３１】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、基板の温度が３００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。【００３２】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層の形成直前の雰囲気の圧力が１×１０-4Ｐａ以下であることが好ましい。【００３３】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程に先立って、スパッタ装置のチャンバ内のダミー放電を行なう工程をさらに含むことが好ましい。【００３４】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、０．２Ｐａ以上の雰囲気の圧力下で形成されることが好ましい。【００３５】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮＯバッファ層は、０．０１ｎｍ／秒以上１ｎｍ／秒以下の形成速度で形成されることが好ましい。【００３６】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、基板はサファイア基板を含み、窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層と、窒化物半導体活性層と、ｐ型窒化物半導体層と、を含むことが好ましい。【００３７】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、反応性スパッタ法は１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の距離に配置された基板とターゲットとの間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ法により行なわれることが好ましい。【００３８】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＮＯバッファ層を形成する工程において、ターゲットは基板の表面に対して傾けて配置されていることが好ましい。【００３９】
また、本発明は、上記のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法により製造された窒化物半導体発光素子である。【００４０】
さらに、本発明は、上記の窒化物半導体発光素子を含む発光装置である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、反応性スパッタ法によってバッファ層を形成する際に積極的に酸素を導入することによって、そのバッファ層上に積層される窒化物半導体層の結晶性が向上する。その結果、優れた発光特性を有する窒化物半導体発光素子を製造することが可能となる。【００４２】
また、本発明によれば、バッファ層を形成する際に積極的に酸素を導入することによって、優れた結晶性を有するバッファ層を再現性良くかつ効率的に形成することができるため、そのバッファ層上に優れた結晶性を有する窒化物半導体層を再現性良くかつ効率的に形成することができる。その結果、優れた発光特性を有する窒化物半導体発光素子を再現性良くかつ効率的に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図２】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例における製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】基板の表面上にＡｌＮＯバッファ層を積層するのに用いられるＤＣマグネトロンスパッタ装置の一例の模式的な構成図である。
【図４】基板の表面上にＡｌＮＯバッファ層を積層するのに用いられるＤＣマグネトロンスパッタ装置の他の一例の模式的な構成図である。
【図５】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例における製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例における製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例における製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子を用いた発光装置の一例の模式的な断面図である。
【図９】実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００４５】
＜素子の構造＞
図１に、本発明の窒化物半導体素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。
【００４６】
ここで、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００は、基板１と、基板１の表面に接して設置された酸素およびアルミニウムを含有する窒化物半導体（以下「酸窒化アルミニウム」または「ＡｌＮＯ」という。）バッファ層２と、ＡｌＮＯバッファ層２の表面に接して設置された窒化物半導体下地層３と、窒化物半導体下地層３の表面に接して設置されたｎ型窒化物半導体コンタクト層４と、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面に接して設置されたｎ型窒化物半導体クラッド層５と、ｎ型窒化物半導体クラッド層５の表面に接して設置された窒化物半導体活性層６と、窒化物半導体活性層６の表面に接して設置されたｐ型窒化物半導体クラッド層７と、ｐ型窒化物半導体クラッド層７の表面に接して設置されたｐ型窒化物半導体コンタクト層８と、ｐ型窒化物半導体コンタクト層８の表面に接して設置された透光性電極層９と、を備えている。そして、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の露出表面に接するようにしてｎ側電極１１が設置されており、透光性電極層９の表面に接するようにしてｐ側電極１０が設置されている。
【００４７】
なお、ＡｌＮＯバッファ層２は、酸素と窒素とアルミニウムとを含有するものであればよく、たとえば、Ａｌx0Ｇａ1-x0Ｎy0Ｏ1-y0（０＜ｘ０≦１、０＜ｙ０＜１）の式で表わされる窒化物半導体からなる窒化物半導体層を積層することができる。なかでも、基板１の表面（成長面）の法線方向に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を得る観点からは、ＡｌＮy0Ｏ1-y0（０＜ｙ０＜１）の式で表わされる窒化物半導体からなる窒化物半導体層をＡｌＮＯバッファ層２として積層することが好ましい。
【００４８】
＜素子の製法＞
以下、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００の製造方法の一例について説明する。
【００４９】
まず、図２の模式的断面図に示すように、基板１の表面上にＡｌＮＯバッファ層２を積層する。ここで、ＡｌＮＯバッファ層２は、基板１とターゲットとの間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ法によって形成される。なお、ＡｌＮＯバッファ層２の形成方法は、ＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ法に限定されず、たとえば、ＲＦスパッタ法、ＥＣＲスパッタ法またはその他の反応性スパッタ法を用いることができる。
【００５０】
＜基板＞
基板１としては、たとえば、ａ面、ｃ面、ｍ面またはｒ面などの露出面を有するサファイア（Ａｌ2Ｏ3）単結晶、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶またはＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などからなる基板を用いることができる。なお、基板１の成長面の面方位は特に限定されるものではなく、ジャスト基板やオフ角を付与した基板などを適宜用いることができるが、なかでも、基板１としてサファイア単結晶からなるサファイア基板を用い、サファイア基板のｃ面上に後述するＡｌＮＯバッファ層２を形成した場合には、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を積層することができる傾向が大きくなる点で好ましい。
【００５１】
＜基板の前処理＞
ＡｌＮＯバッファ層２の積層前の基板１の成長面について前処理を行なってもよい。基板１の成長面の前処理の一例としては、シリコン基板に対してよく行なわれるものと同様のＲＣＡ洗浄を行なうことによって、基板１の成長面を水素終端化する処理が挙げられる。これにより、基板１の成長面上に良好な結晶性を有するＡｌＮＯバッファ層２を再現性良く積層することができる傾向にある。
【００５２】
基板１の成長面の前処理の他の一例としては、基板１の成長面を窒素ガスのプラズマに曝す処理が挙げられる。これにより、基板１の成長面に付着した有機物や酸化物などの異物を除去し、基板１の成長面の状態を整えることができる傾向にある。特に、基板１がサファイア基板である場合には、基板１の成長面を窒素ガスのプラズマに曝すことによって、基板１の成長面が窒化されて、基板１の成長面上に積層されるＡｌＮＯバッファ層２が面内で均一に形成されやすくなる傾向にある。
【００５３】
＜スパッタ装置＞
図３に、基板１の表面上にＡｌＮＯバッファ層２を積層するのに用いられるＤＣマグネトロンスパッタ装置の一例の模式的な構成を示す。
【００５４】
ここで、ＤＣマグネトロンスパッタ装置は、チャンバ２１と、チャンバ２１の内部の下方に設置されたヒータ２３とヒータ２３と向かい合うようにして設置されたカソード２８と、チャンバ２１の内部のガスをチャンバ２１の外部に放出するための排気口２５と、を備えている。
【００５５】
なお、ヒータ２３はヒータ支持材２４によって支持されている。また、カソード２８は、アルミニウムからなるＡｌターゲット２６と、マグネット支持材２９に支持されたマグネット２７とを有している。また、チャンバ２１には、チャンバ２１の内部にアルゴンガスを供給するためのマスフローコントローラ３０と、チャンバ２１の内部に窒素ガスを供給するためのマスフローコントローラ３１と、チャンバ２１の内部に酸素ガスを供給するためのマスフローコントローラ３２と、が接続されている。
【００５６】
そして、基板１の表面上にＡｌＮＯバッファ層２を積層するにあたっては、まず、以上のような構成のＤＣマグネトロンスパッタ装置の内部のヒータ２３上に基板１が設置される。基板１は、基板１の成長面（ＡｌＮＯバッファ層２が成長する面）がＡｌターゲット２６の表面と向かい合うようにして所定の距離ｄをあけて配置される。
【００５７】
上記の距離ｄは、Ａｌターゲット２６の表面の中心と、基板１の成長面との間の最短距離を意味しており、その距離ｄは、１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下とされることが好ましく、１２０ｍｍ以上２１０ｍｍ以下とされることがより好ましく、１５０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下とされることがさらに好ましい。これは、ＤＣマグネトロンスパッタ法によるＡｌＮＯバッファ層２の積層時には高エネルギの反応種が基板１に供給されることになるが、上記の距離ｄを１００ｍｍ以上とした場合には、上記の反応種が基板１の成長面に与えるダメージを小さくすることができ、上記の距離ｄを２５０ｍｍ以下とした場合には、プラズマ放電が起きやすくなるとともにＡｌＮＯバッファ層２の形成速度も大きくなるため、基板１の成長面の法線方向（垂直方向）に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を積層することができる傾向にある。したがって、このような良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２の表面上に窒化物半導体層を成長させることによって、転位密度が低く結晶性に優れた窒化物半導体層（本実施の形態では窒化物半導体下地層３）を再現性良く得ることができ、ひいては良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる。
【００５８】
上記の距離ｄを１２０ｎｍ以上２１０ｎｍ以下とした場合、特に１５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下とした場合には、良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を積層することができるため、そのようなＡｌＮＯバッファ層２の表面上には転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいては良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなる。
【００５９】
図４に、基板１の表面上にＡｌＮＯバッファ層２を積層するのに用いられるＤＣマグネトロンスパッタ装置の他の一例の模式的な構成を示す。図４に示す構成のＤＣマグネトロンスパッタ装置は、基板１とＡｌターゲット２６との間に間隔をあけて基板１の成長面に対してＡｌターゲット２６を傾けて配置している点に特徴がある。
【００６０】
ここで、Ａｌターゲット２６は、基板１の成長面の法線方向に対して角度θだけ傾けて配置されている。ここで、結晶性に優れたＡｌＮＯバッファ層２を積層する観点からは、角度θは１０°以上４５°以下であることが好ましく、２０°以上４５°以下であることがより好ましい。
【００６１】
このように、基板１とＡｌターゲット２６との間に間隔をあけて基板１の成長面に対してＡｌターゲット２６を傾けて配置した状態で、基板１とＡｌターゲット２６との間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加してＤＣマグネトロンスパッタ法によってＡｌＮＯバッファ層２を積層した場合には、ＡｌＮＯバッファ層２の積層時に基板１に供給される高エネルギの反応種による基板１の成長面へのダメージを低減することができるため、結晶性に優れたＡｌＮＯバッファ層２を積層することができる傾向にある。さらに、ＡｌＮＯバッファ層２の結晶性および層厚が基板１の面内で均一になる傾向にある。
【００６２】
図４に示す構成のＤＣマグネトロンスパッタ装置においても、Ａｌターゲット２６の表面の中心と、基板１の成長面との間の最短距離ｄは、１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下とされることが好ましく、１２０ｍｍ以上２１０ｍｍ以下とされることがより好ましく、１５０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下とされることがさらに好ましい。図４に示す構成のＤＣマグネトロンスパッタ装置においても、上記の最短距離ｄを上記のように設定することによって、上述した理由により、結晶性に優れたＡｌＮＯバッファ層２を積層することができる傾向にある。
【００６３】
＜ＡｌＮＯバッファ層の形成＞
次に、チャンバ２１の内部に、マスフローコントローラ３１から窒素ガスを連続的に供給し、マスフローコントローラ３２から酸素ガスを連続的に供給することによって、基板１とＡｌターゲット２６との間に窒素ガスおよび酸素ガスを連続的に導入しつつ、チャンバ２１の内部のガスを排気口２５から外部に連続的に排出する。
【００６４】
そして、基板１とＡｌターゲット２６との間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加することによって基板１とＡｌターゲット２６との間に、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスのプラズマを発生させる。これにより、Ａｌターゲット２６のスパッタが行なわれ、基板１の表面上にアルミニウムと窒素と酸素との化合物からなるＡｌＮＯバッファ層２が積層する。なお、ＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式は、Ａｌターゲット２６のスパッタリング中において、所定の大きさの直流電圧（時間によって方向が変化しない電圧）を基板１とＡｌターゲット２６との間に連続的に印加する方式である。
【００６５】
以上のように、チャンバ２１の内部に窒素ガスと酸素ガスとを連続的に導入しつつ、チャンバ２１の内部のガスを排気口２５からチャンバ２１の外部に連続的に排出しながら、チャンバ２１の内部でＡｌターゲット２６をターゲットとして用いた反応性スパッタ法でＡｌＮＯバッファ層２を形成した場合には、優れた結晶性を有する窒化物半導体層をその上方に再現性良く形成することが可能な転位密度の低い良好な結晶性を有するＡｌＮＯバッファ層２を形成できることを本発明者らが見い出し、本発明を完成するに至ったものである。これは、流量の酸素ガスと窒素ガスとをチャンバ２１の内部に連続的に導入・排気を行なうことによってチャンバ２１の内部の雰囲気が新鮮な状態に保たれるため、チャンバ２１の雰囲気を構成するガス中に占めるチャンバ２１の内壁から発生するガスの割合が低減されていることによるものであると考えられる。
【００６６】
＜流量比＞
ＡｌＮＯバッファ層２は、窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が０．５％以下である雰囲気において形成され、０．２５％以下である雰囲気において形成されることがより好ましい。窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が０．５％以下である場合、特に０．２５％以下である場合には、良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を積層することができるため、そのようなＡｌＮＯバッファ層２の表面上には転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいては良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなる。
【００６７】
ここで、ＡｌＮＯバッファ層２は、窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が０．０５％以上である雰囲気において形成されることが好ましく、０．１％以上である雰囲気において形成されることがより好ましい。窒素ガスの流量と酸素ガスの流量との合計に対する酸素ガスの流量の比が０．０５％以上である場合、特に０．１％以上である場合には、良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２を積層することができるため、そのようなＡｌＮＯバッファ層２の表面上には転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいては良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなる。
【００６８】
なお、上記においては、チャンバ２１の内部に窒素ガスと酸素ガスとを供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば、窒素ガスの少なくとも一部をアンモニアガスに置き換えてもよい。
【００６９】
＜ＡｌＮＯバッファ層の被覆度＞
ＡｌＮＯバッファ層２は、基板１の表面の９０％以上を覆うように形成されることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２が基板１の表面の９０％以上を覆っている場合には、ＡｌＮＯバッファ層２上に形成される窒化物半導体層にヒロック（hillock）やピット（pit）が生じるのを抑制することができる傾向にある。
【００７０】
＜ＡｌＮＯバッファ層の酸素濃度＞
ＡｌＮＯバッファ層２は、ＡｌＮＯバッファ層２中の酸素濃度が１原子％以上１０原子％以下となるように形成されることが好ましく、２原子％以上９原子％以下となるように形成されることがより好ましく、３原子％以上７原子％以下であることがさらに好ましい。上述したように、従来においては、バッファ層２中の酸素濃度は１原子％以下でなければならないとされていたが、本発明者らが鋭意検討した結果、ＡｌＮＯバッファ層２中の酸素濃度が１原子％以上１０原子％以下である場合、さらに２原子％以上９原子％以下である場合、特に３原子％以上７原子％以下である場合には、転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいてはさらに良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向が大きくなることが見い出されたためである。
【００７１】
ＡｌＮＯバッファ層２は、ＡｌＮＯバッファ層２中の酸素濃度がＡｌＮＯバッファ層２中で均一となるように形成されることが好ましい。この場合には、転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいてはさらに良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向にある。なお、ＡｌＮＯバッファ層２中の酸素濃度がＡｌＮＯバッファ層２中で均一であると言えるためには、ＡｌＮＯバッファ層２において酸素濃度が最大となる部分の酸素濃度と、ＡｌＮＯバッファ層２において酸素濃度が最小となる部分の酸素濃度との差が１０原子％以下であればよい。
【００７２】
＜ＡｌＮＯバッファ層の屈折率＞
ＡｌＮＯバッファ層２の波長４５０ｎｍの光に対する屈折率は２以上２．１以下であることが好ましく、２．０３以上２．０８以下であることがより好ましく、２．０３以上２．０５以下であることがより好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２の波長４５０ｎｍの光に対する屈折率が２以上２．１以下である場合、さらに２．０３以上２．０８以下である場合、特に２．０３以上２．０５以下である場合には、転位密度が低く結晶性に優れる窒化物半導体層を再現性良く成長させることができる傾向が大きくなり、ひいてはさらに良好な特性を有する窒化物半導体素子を再現性良く作製することができる傾向にある。
【００７３】
＜ＡｌＮＯバッファ層の厚さ＞
基板１の成長面上に積層されるＡｌＮＯバッファ層２の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２の厚さが５ｎｍ未満である場合には、ＡｌＮＯバッファ層２がバッファ層としての機能を十分に発揮しないおそれがある。また、ＡｌＮＯバッファ層２の厚さが１００ｎｍを超える場合にはバッファ層としての機能が向上することなく、ＡｌＮＯバッファ層２の形成時間だけが長くなるおそれがある。また、ＡｌＮＯバッファ層２のバッファ層としての機能を面内において均一に発揮させる観点からは、ＡｌＮＯバッファ層２の厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００７４】
＜基板温度＞
ＡｌＮＯバッファ層２の積層時における基板１の温度は、３００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２の積層時における基板１の温度が３００℃未満である場合には、ＡｌＮＯバッファ層２が基板１の成長面を十分に覆うことができず、基板１の成長面がＡｌＮＯバッファ層２から多く露出するおそれがある。また、ＡｌＮＯバッファ層２の積層時における基板１の温度が１０００℃を超える場合には、基板１の成長面での原料のマイグレーションが活発になりすぎて、柱状結晶の集合体というよりはむしろ単結晶の膜に近いＡｌＮＯバッファ層２が形成されて、ＡｌＮＯバッファ層２のバッファ層としての機能が低下するおそれがある。
【００７５】
＜スパッタ装置の到達真空度＞
ＡｌＮＯバッファ層２の積層時においてチャンバ２１の内部に不純物が存在しないことが望ましいため、良好な結晶性を有するＡｌＮＯバッファ層２を得る観点からは、スパッタ直前のチャンバ２１の内部の圧力は１×１０-4Ｐａ以下であることが好ましい。すなわち、ＡｌＮＯバッファ層の形成直前の雰囲気の圧力は１×１０-4Ｐａ以下とされることが好ましい。
【００７６】
＜ダミー放電＞
チャンバ２１の到達真空度をより向上させるため、ＡｌＮＯバッファ層２の形成前に、チャンバ２１内において、ダミー放電を行なうことが好ましい。このようなダミー放電を行なうことにより、チャンバー２１内より叩き出される不純物を予め除去することが可能となる。
【００７７】
ダミー放電の方法としては、たとえば、ＡｌＮＯバッファ層２の形成時の処理と同様の放電プログラムを、基板１を導入せずに行なう方法などを用いることができる。
【００７８】
このようなダミー放電は、ＡｌＮＯバッファ層２の形成条件と同様の条件として行う方法の他、さらに不純物を叩き出し易い条件に設定して行なうことも可能である。そのような条件としては、たとえば、基板加熱用の設定温度を高めに設定する条件、プラズマを発生させるためのパワーを高めに設定するする条件などが挙げられる。
【００７９】
チャンバ２１内でプラズマを継続して発生させた状態で、アルゴンガスのみ供給する工程とＡｌＮＯバッファ層２の形成時のガスを供給する工程とを交互に繰り返すダミー放電も到達真空度の向上に有効である。このダミー放電においては、アルゴンガスのみ供給する工程でチャンバ２１の内壁をアルミニウムリッチな金属膜で薄くコーティングすることが重要である。アルミニウムリッチな金属膜は、不純物を吸着しやすいためである。ただし、ダミー放電の最後の工程は、ＡｌＮＯバッファ層２の形成条件のガスを供給する工程で終わることが好ましい。ここで、アルゴンガスのみを供給する工程でダミー放電を終えた場合は、アルミニウムリッチな金属膜がチャンバ２１の内壁を覆った状態となっているため、その内壁が非常に不安定な状態となり、不安定なチャンバ２１の内壁の状態でＡｌＮＯバッファ層２を成膜するとＡｌＮＯバッファ層２の膜質特性の再現性が乏しくなる傾向にあるためである。
【００８０】
上述したようなダミー放電を行なうことにより、ＡｌＮＯバッファ層２の成膜前のチャンバ２１内の到達真空度をより高めることにより、チャンバ２１の内壁や空間中に存在する酸素含有物をより確実に除去して低減することが可能となる。
【００８１】
＜ＡｌＮＯバッファ層の積層時のチャンバの内部の圧力＞
ＡｌＮＯバッファ層２の積層時におけるチャンバ２１の内部の圧力は、０．２Ｐａ以上であることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２の積層時におけるチャンバ２１の内部の圧力が０．２Ｐａ未満である場合には、チャンバ２１の内部における窒素量が少なくなって、Ａｌターゲット２６からスパッタされたアルミニウムが窒化物とならない状態で基板１の成長面上に付着するおそれがある。また、ＡｌＮＯバッファ層２の積層時におけるチャンバ２１の内部の圧力の上限は特に限定されず、チャンバ２１の内部にプラズマを発生させることができる程度の圧力であればよい。
【００８２】
＜ＡｌＮＯバッファ層の形成速度＞
ＡｌＮＯバッファ層２の形成速度は、０．０１ｎｍ／秒以上１ｎｍ／秒以下であることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２の形成速度が０．０１ｎｍ／秒未満である場合にはＡｌＮＯバッファ層２が基板１の成長面上に均一に広がって成長せずに島状に成長して基板１の成長面を均一にＡｌＮＯバッファ層２が覆うことができず、基板１の成長面がＡｌＮＯバッファ層２から露出するおそれがある。また、ＡｌＮＯバッファ層２の形成速度が１ｎｍ／秒を超える場合には、ＡｌＮＯバッファ層２が非晶質となって、ＡｌＮＯバッファ層２上に転位密度が小さく優れた結晶性を有する窒化物半導体層を成長させることができなくなるおそれがある。
【００８３】
＜窒化物半導体下地層の形成＞
次に、図５の模式的断面図に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法によって、ＡｌＮＯバッファ層２の表面上に窒化物半導体下地層３を積層する。
【００８４】
窒化物半導体下地層３としては、たとえばＡｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）を積層することができるが、柱状結晶の集合体からなるＡｌＮＯバッファ層２中の転位などの結晶欠陥を引き継がないようにするためにはＩＩＩ族元素としてＧａまたはＩｎを含むものであることが好ましい。ＡｌＮＯバッファ層２中の転位を引き継がないようにするためにはＡｌＮＯバッファ層２との界面付近で転位をループさせる必要があるが、窒化物半導体下地層３がＧａまたはＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合には転位のループが生じやすい。したがって、ＧａまたはＩｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体下地層３を用いることによって、ＡｌＮＯバッファ層２との界面付近で転位をループ化して閉じ込めて、ＡｌＮＯバッファ層２から窒化物半導体下地層３に転位が引き継がれるのを抑えることができる。特に、窒化物半導体下地層３がＡｌx1Ｇａy1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合、特にＧａＮからなる場合には、ＡｌＮＯバッファ層２との界面付近で転位をループ化して閉じ込めることができるため、転位密度が小さく良好な結晶性を有する窒化物半導体下地層３が得られる傾向にある。
【００８５】
窒化物半導体下地層３の積層直前のＡｌＮＯバッファ層２の表面を熱処理を行なってもよい。この熱処理によって、ＡｌＮＯバッファ層２の表面の清浄化と結晶性の向上を図ることができる傾向にある。この熱処理は、たとえばＭＯＣＶＤ法が用いられるＭＯＣＶＤ装置内で行なうことができ、熱処理時の雰囲気ガスとしては、たとえば水素ガスや窒素ガスなどを用いることができる。また、上記の熱処理時におけるＡｌＮＯバッファ層２の分解を防ぐためには、熱処理時の雰囲気ガスにアンモニアガスを混合してもよい。また、上記の熱処理は、たとえば９００℃以上１２５０℃以下の温度でたとえば１分間以上６０分間以下の時間行なうことができる。
【００８６】
窒化物半導体下地層３には、ｎ型ドーパントが１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の範囲でドーピングされていてもよいが、良好な結晶性を維持する観点からは窒化物半導体下地層３はアンドープであることが好ましい。なお、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコン、ゲルマニウムおよび錫などを用いることができ、なかでもシリコンおよび／またはゲルマニウムを用いることが好ましい。
【００８７】
窒化物半導体下地層３の積層時の基板１の温度は８００℃以上１２５０℃以下であることが好ましく、１０００℃以上１２５０℃以下であることがより好ましい。窒化物半導体下地層３の積層時の基板１の温度が８００℃以上１２５０℃以下である場合、特に１０００℃以上１２５０℃以下である場合には、結晶性に優れた窒化物半導体下地層３を成長させることができる傾向にある。
【００８８】
＜窒化物半導体層の形成＞
次に、図６の模式的断面図に示すように、ＭＯＣＶＤ法によって、窒化物半導体下地層３の表面上に、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４、ｎ型窒化物半導体クラッド層５、窒化物半導体活性層６、ｐ型窒化物半導体クラッド層７およびｐ型窒化物半導体コンタクト層８をこの順に積層して積層体を形成する。
【００８９】
＜ｎ型窒化物半導体コンタクト層＞
ｎ型窒化物半導体コンタクト層４としては、たとえば、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）にｎ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。
【００９０】
なかでも、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１、好ましくは０≦ｘ２≦０．５、より好ましくは０≦ｘ２≦０．１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｎ型ドーパントとしてシリコンがドーピングされた窒化物半導体層であることが好ましい。
【００９１】
ｎ型窒化物半導体コンタクト層４へのｎ型ドーパントのドーピング濃度は、ｎ側電極１１との良好なオーミック接触の維持、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４におけるクラックの発生の抑制および良好な結晶性の維持の観点から、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下の範囲内であることが好ましい。
【００９２】
窒化物半導体下地層３とｎ型窒化物半導体コンタクト層４との厚さの合計は、これらの層の良好な結晶性を維持する観点から、４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましく、６μｍ以上１５μｍ以下であることがさらに好ましい。窒化物半導体下地層３とｎ型窒化物半導体コンタクト層４との厚さの合計が４μｍ未満である場合にはこれらの層の結晶性が悪化したり、これらの層の表面にピット（pit）が生じるおそれがある。一方、窒化物半導体下地層３とｎ型窒化物半導体コンタクト層４との厚さの合計が２０μｍを超える場合には、基板１の反りが大きくなって、素子の収率低下を招くおそれがある。
【００９３】
＜ｎ型窒化物半導体クラッド層＞
ｎ型窒化物半導体クラッド層５としては、たとえば、Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）にｎ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。ｎ型窒化物半導体クラッド層５は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の窒化物半導体層をヘテロ接合した構造や超格子構造であってもよい。また、ｎ型窒化物半導体クラッド層５のバンドギャップは、後述する窒化物半導体活性層６への光閉じ込めの観点から、窒化物半導体活性層６のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。ｎ型窒化物半導体クラッド層５の厚さは特に限定されないが、好ましくは０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である。ｎ型窒化物半導体クラッド層５へのｎ型ドーパントのドーピング濃度については、良好な結晶性維持および素子の動作電圧低減の観点から、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが好ましく、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下であることがより好ましい。
【００９４】
＜窒化物半導体活性層＞
また、窒化物半導体活性層６がたとえば単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する場合には、窒化物半導体活性層６としては、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０＜ｚ４＜０．４）を量子井戸層とするものを用いることができ、所望の発光波長となるようにＩｎ組成や厚さを制御する。窒化物半導体活性層６の厚みは特に限定されないが、発光出力を向上させる観点からは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上６ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００９５】
窒化物半導体活性層６の形成時の基板１の温度は７００℃以上９００℃以下であることが好ましく、７５０℃以上８５０℃以下であることがより好ましい。窒化物半導体活性層６の形成時の基板１の温度が７００℃未満である場合には窒化物半導体活性層６の結晶性が悪化するおそれがある一方で、９００℃を超える場合にはＩｎＮの昇華が顕著になって固相中へのＩｎの取り込み効率が低減してＩｎ組成が変動するおそれがある。
【００９６】
また、窒化物半導体活性層６としては、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０＜ｚ４＜０．４）を量子井戸層とし、この井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎの式で表わされる窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）を量子障壁層とし、これらを交互に１層ずつ積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するものを用いることもできる。なお、上記の量子井戸層および／または量子障壁層にはｎ型またはｐ型のドーパントがドーピングされていてもよい。
【００９７】
＜ｐ型窒化物半導体クラッド層＞
ｐ型窒化物半導体クラッド層７としては、たとえばＡｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１、ｘ６＋ｙ６＋ｚ６≠０）にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができ、なかでもＡｌx6Ｇａ1-x6Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０＜ｘ６≦０．４、好ましくは０．１≦ｘ６≦０．３）にｐ型ドーパントをドーピングした層を積層することが好ましい。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムなどを用いることができる。
【００９８】
ｐ型窒化物半導体クラッド層７のバンドギャップは、窒化物半導体活性層６への光閉じ込めの観点から、窒化物半導体活性層６のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。また、ｐ型窒化物半導体クラッド層７の厚さは特に限定されないが、好ましくは０．０１μｍ以上０．４μｍ以下であり、より好ましくは０．０２μｍ以上０．１μｍ以下である。良好な結晶性のｐ型窒化物半導体クラッド層７を得る観点からは、ｐ型窒化物半導体クラッド層７へのｐ型ドーパントのドーピング濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましく、１×１０19ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることがより好ましい。
【００９９】
＜ｐ型窒化物半導体コンタクト層＞
ｐ型窒化物半導体コンタクト層８としては、たとえばＡｌx7Ｇａy7Ｉｎz7Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ７≦１、０≦ｚ７≦１、ｘ７＋ｙ７＋ｚ７≠０）にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができ、なかでもＧａＮ層にｐ型ドーパントをドーピングした層を用いることが良好な結晶性の維持および良好なオーミック接触を得る観点から好ましい。
【０１００】
ｐ型窒化物半導体コンタクト層８へのｐ型ドーパントのドーピング濃度は、良好なオーミック接触の維持、ｐ型窒化物半導体コンタクト層８におけるクラックの発生の抑制および良好な結晶性の維持の観点から、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下の範囲内であることが好ましく、５×１０19ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下の範囲内であることがより好ましい。また、ｐ型窒化物半導体コンタクト層８の厚さは特に限定されるものではないが、窒化物半導体発光ダイオード素子１００の発光出力を向上させる観点からは、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましい。
【０１０１】
＜ＭＯＣＶＤ法＞
上記のｎ型窒化物半導体コンタクト層４、ｎ型窒化物半導体クラッド層５、窒化物半導体活性層６、ｐ型窒化物半導体クラッド層７およびｐ型窒化物半導体コンタクト層８がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成される場合には、これらの層はたとえば以下のようにしてＭＯＣＶＤ法によって積層される。
【０１０２】
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）からなる群から選択された少なくとも１つのＩＩＩ族元素の有機金属原料ガスと、たとえばアンモニアなどの窒素原料ガスとを供給してこれらを熱分解し、反応させることによって積層することができる。
【０１０３】
また、ｎ型ドーパントであるシリコンをドーピングする場合には、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばシラン（ＳｉＨ4）あるいはジシラン（Ｓｉ2Ｈ4）をドーピングガスとして上記の原料ガスに加えて供給することにより、シリコンをドーピングすることが可能である。
【０１０４】
また、ｐ型ドーパントであるマグネシウムをドーピングする場合には、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）をドーピングガスとして上記の原料ガスに加えて供給することにより、マグネシウムをドーピングすることが可能である。
【０１０５】
＜電極の形成＞
次に、図７の模式的断面図に示すように、ｐ型窒化物半導体コンタクト層８の表面上にたとえばＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）、ＺｎＯまたはＩＺＯ（Indium  Zinc  Oxide）からなる透光性電極層９を形成した後に、透光性電極層９の表面上にｐ側電極１０を形成する。その後、ｐ側電極１０の形成後の積層体の一部をエッチングにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面の一部を露出させる。
【０１０６】
その後、図１に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の露出した表面上にｎ側電極１１を形成することによって、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を作製することができる。
【０１０７】
＜素子の特性＞
以上のようにして作製された実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００においては、上述のように、基板１の成長面の法線方向（垂直方向）に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性のＡｌＮＯバッファ層２の表面上に窒化物半導体下地層３、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４、ｎ型窒化物半導体クラッド層５、窒化物半導体活性層６、ｐ型窒化物半導体クラッド層７およびｐ型窒化物半導体コンタクト層８がこの順序で積層されているため、ＡｌＮＯバッファ層２の表面上に積層されたこれら層については転位密度が低くなり優れた結晶性を有している。したがって、このような優れた結晶性を有する層から形成された実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００は、動作電圧が低く、発光出力の高い素子となる。
【０１０８】
＜発光装置＞
図８に、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を用いた発光装置の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図８に示す構成の発光装置２００は、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を第１のリードフレーム４１上に設置した構成を有している。そして、窒化物半導体発光ダイオード素子１００のｐ側電極１０と第１のリードフレーム４１とが第１のワイヤ４５で電気的に接続されているとともに、窒化物半導体発光ダイオード素子１００のｎ側電極１１と第２のリードフレーム４２とが第２のワイヤ４４で電気的に接続されている。さらに、透明なモールド樹脂４３で窒化物半導体発光ダイオード素子１００がモールドされていることによって、発光装置２００は砲弾型の形状とされている。
【０１０９】
図８に示す構成の発光装置は、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を用いていることから、動作電圧が低く、発光出力の高い発光装置とすることができる。
【実施例１】
【０１１０】
実施例１においては、図２に示すように、表面が平坦なサファイア基板からなる基板１上に、図３に示すスパッタ装置を用いた反応性スパッタ法により様々な条件でＡｌＮＯバッファ層２を積層し、それぞれのＡｌＮＯバッファ層２の特性を調査した。さらに、それぞれのＡｌＮＯバッファ層２上にＭＯＣＶＤ法によりアンドープＧａＮからなる窒化物半導体下地層３を積層し、それぞれの窒化物半導体下地層３の特性を調査した。【０１１１】
具体的には、まず、図３に示すスパッタ装置のヒータ２３上にサファイア基板からなる基板１を設置していない状態で、チャンバ２１の内部にマスフローコントローラ３０で流量制御されたアルゴンガスを供給し、供給したアルゴンガスと同量のガスを排気口２５から真空ポンプを用いて排気することによって、チャンバ２１の内部を一定の圧力に保った。【０１１２】
次に、ヒータ２３とＡｌターゲット２６との間に電圧を印加することによって、ヒータ２３とＡｌターゲット２６との間にアルゴンガスのプラズマを発生させた。アルゴンガスのプラズマを発生させた状態で数分間保持し、チャンバ２１の内壁をアルミニウムリッチな金属膜で薄くコーティングした。さらに、アルゴンガスのプラズマを発生させた状態を保持して、アルゴンガスから窒素ガスに切り替えた。この際、チャンバ２１の内部の圧力の変動は小さい方がよい。続けて、窒素プラズマを発生させた状態で数分間保持し、チャンバ２１の内壁をＡｌＮ膜でコーティングした。【０１１３】
次に、チャンバ２１の内部のヒータ２３上に基板１を設置して（基板１の表面とＡｌターゲット２６の表面との最短距離ｄ＝１８０ｍｍ）、基板１の温度が５００℃となるように基板１をヒータ２３により加熱して、基板１の温度が５００℃の状態を１０分間保持した。【０１１４】
次に、チャンバ２１の内部に、マスフローコントローラ３１で流量制御された窒素ガスを供給するとともに、マスフローコントローラ３２で流量制御された酸素ガスを供給し、供給したガス量と同量のガスを排気口２５を介して真空ポンプで排気することによって、チャンバ２１の内部を一定の圧力に保った。【０１１５】
次に、基板１とＡｌターゲット２６との間に電圧を印加することによって、基板１とＡｌターゲット２６との間に、窒素ガスおよび酸素ガスのプラズマを発生させた。これにより、Ａｌターゲット２６のアルミニウムがスパッタリングされるとともに、アルミニウムと、プラズマ中の酸素および窒素とが反応する反応性スパッタが行なわれて、基板１の表面の全面にアルミニウムと窒素と酸素との化合物からなる厚さ２５ｎｍのＡｌＮＯバッファ層２が形成された。このときのＡｌＮＯバッファ層２の形成速度は０．０４ｎｍ／秒であった。また、スパッタ直前のチャンバ２１の内部の圧力は１×１０-4Ｐａ以下であった。また、ＡｌＮＯバッファ層２の積層時のチャンバ２１の内部の圧力は０．２Ｐａ以上の雰囲気の圧力とされた。【０１１６】
以上のようにして、表１のＡｌＮＯバッファ層の成膜条件の欄に示される様々な条件でサンプル１〜６のＡｌＮＯバッファ層２の形成を行ない、サンプル１〜６のＡｌＮＯバッファ層２のＸ線半値幅［ａｒｃｓｅｃ］、酸素濃度［原子％］および屈折率をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。【０１１７】
なお、表１のＸ線半値幅［ａｒｃｓｅｃ］は、Ｘ線回折測定によって検出されるロッキングカーブについてＡｌＮ結晶の（００２）面、ＧａＮ結晶の（００４）面およびＧａＮ結晶の（１０２）面をそれぞれ反射面としたときに対応するピークの半値幅を測定することにより算出した。Ｘ線半値幅の値が小さいほど転位の少ない良好な結晶であると考えられるため、この数値を結晶性を評価する尺度としている。【０１１８】
表１の酸素濃度［原子％］は、ＸＰＳ（X-ray  photoelectron  spectroscopy）により測定した。【０１１９】
表１の屈折率は、波長４５０ｎｍの光に対する屈折率を示しており、分光エリプソメータにより測定した。【０１２０】
次に、ＡｌＮＯバッファ層２の積層後の基板１を図３に示すスパッタ装置のチャンバ２１から取り出し、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に設置した。【０１２１】
その後、反応炉の内部にアンモニアガスを供給しながら、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを供給した状態で基板１の温度を約１５分間かけて１１２５℃まで上昇させた。ここで、反応炉の内部の圧力を常圧とし、キャリアガスである水素ガスと窒素ガスの流量比（水素ガスの流量／窒素ガスの流量）を５０／５０とした。そして、基板１の温度が１１２５℃で安定したのを確認した後、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスの反応炉の内部への供給を開始して、図５に示すように、ＡｌＮＯバッファ層２の表面上に厚さ５μｍのアンドープのＧａＮからなる窒化物半導体下地層（ＧａＮ層）３をＭＯＣＶＤ法により積層した。【０１２２】
以上のようにして、サンプル１〜６のＡｌＮＯバッファ層２のそれぞれの表面上にサンプル１〜６のＧａＮ層３を形成し、サンプル１〜６のＧａＮ層３のＧａＮ結晶の（００４）面およびＧａＮ結晶の（１０２）面をそれぞれ反射面とするＸ線半値幅［ａｒｃｓｅｃ］をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。【０１２３】
【表１】
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【０１２４】
表１に示す結果から、以下の知見が得られた。
（ａ）全く酸素ガスを流さないで形成したサンプル１のＡｌＮＯバッファ層２の特性と、酸素ガスを微量（０．０５%）流して形成したサンプル２のＡｌＮＯバッファ層２の特性はほぼ同等であった。サンプル１、２のＡｌＮＯバッファ層２のＸ線半値幅は、それぞれ、２８２［ａｒｃｓｅｃ］、２８６［ａｒｃｓｅｃ］であり、酸素濃度はともに２原子％であった。しかしながら、４５０ｎｍの波長の光に対する屈折率は、サンプル１と２のＡｌＮＯバッファ層２において、それぞれ、２．１１、２．０８となっており、わずかながら違いがあった。一方、サンプル１とサンプル２のＧａＮ層の特性は、大きな差が生じており、サンプル１とサンプル２のＧａＮ層のＧａＮ（００４）を反射面とするＸ線半値幅は、それぞれ、６４２［ａｒｃｓｅｃ］、５３［ａｒｃｓｅｃ］であった。【０１２５】
（ｂ）酸素ガス流量比を０％から０．９９％に増加させたときには、その増加に伴ってＡｌＮＯバッファ層２中の酸素濃度も２原子％から１２原子％に増加した。一方、酸素ガス流量比を０％から０．５％まで増加させたとき（サンプル１からサンプル５まで）には、ＡｌＮＯバッファ層２の屈折率は２．１１から２．０３に単調に減少するものの、酸素ガス流量比を０．９９％（サンプル６）まで増加させると逆に２．０６となって増加した。【０１２６】
（ｃ）良好なＧａＮ特性が得られたサンプル２〜５のＡｌＮＯバッファ層２においては、ＡｌＮ（００２）面のＸ線半値幅が３００［ａｒｃｓｅｃ］以下であり、かつ屈折率が２．０８以下であった。以上より、反応性スパッタによるＡｌＮＯバッファ層形成において、酸素ガス流量比（酸素ガス流量×１００／全ガスの総流量）は０．５％以下が好ましいことが確認された。【０１２７】
ここで、特許文献６においては、ＡｌＮバッファ層中に不可避的に存在する酸素の量を極力少なくして良質の窒化物半導体素子を得ようとしているのに対し、本発明者らは逆に積極的に酸素を導入してＡｌＮＯバッファ層２を形成し、その表面上に窒化物半導体層を直接形成して良質の窒化物半導体素子を得ている。このような手法によって良好な結果を得られた理由について、確証はないが以下のように考えている。【０１２８】
第１に、ＡｌＮＯバッファ層２の形成時におけるチャンバ２１の内部の雰囲気中に存在する酸素の性質の違いである。つまり、チャンバ２１内に導入された純度の高い酸素ガスから供給される酸素（高純度酸素）と元々チャンバ２１の内壁など残留した酸素含有物がスパッタ中に叩き出された酸素（残留酸素）との性質の違いである。残留酸素は、一般にチャンバ内壁に吸着する水分が分解して生成したものと考えられ、その形態としては、Ｈ2Ｏそのもの、ＯＨ（中性またはイオン）、Ｏ（中性またはイオン）であると考えられる。一方、高純度酸素は、Ｏ2そのもの、Ｏ2イオン、Ｏ（中性またはイオン）と考えられる。たとえば、高純度酸素は、Ｏ2という形態でＡｌＮＯバッファ層２に含まれる、あるいは水素を含まない状態でＡｌＮＯバッファ層２に含まれるため、残留酸素が混入したＡｌＮ膜とは性質が異なると推定される。【０１２９】
第２に、適度に酸素を含むＡｌＮＯバッファ層２においては、ＡｌＮＯバッファ層２を形成する柱状のＡｌＮ結晶のすきま（結晶粒界）を酸素が埋める働きをし、その上に直接形成される窒化物半導体層の転位密度を低減させていると考えられる。そして、結晶粒界を埋めるために、高純度酸素が良好に働くと考えられる。【０１３０】
なお、上記においては、チャンバ２１の内部に窒素ガスと酸素ガスとを供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば、窒素ガスの少なくとも一部をアルゴンガスに置き換えてもよく、それにより反応性スパッタ時に発生する雰囲気ガスのプラズマ状態を調整することができる。
【実施例２】
【０１３１】
図９に、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子３００は、表面が凹凸状に加工されたサファイア基板１と、サファイア基板１の表面に接して設置されたＡｌＮＯバッファ層２と、ＡｌＮＯバッファ層２の表面に接して設置された窒化物半導体下地層３と、窒化物半導体下地層３の表面に接して設置されたｎ型窒化物半導体コンタクト層４と、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面に接して設置されたｎ型窒化物半導体クラッド層５と、ｎ型窒化物半導体クラッド層５の表面に接して設置された窒化物半導体活性層６と、窒化物半導体活性層６の表面に接して設置されたｐ型窒化物半導体クラッド層７と、ｐ型窒化物半導体クラッド層７の表面に接して設置されたｐ型窒化物半導体コンタクト層８と、ｐ型窒化物半導体コンタクト層８の表面に接して設置された透光性電極層９と、を備えている。そして、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の露出表面に接するようにしてｎ側電極１１が設置されており、透光性電極層９の表面に接するようにしてｐ側電極１０が設置されている。【０１３２】
ここで、サファイア基板１には窒化物半導体下地層３の結晶品質の向上および界面における光散乱を目的として凹凸形状が形成されている。この凹凸形状の深さは、ＡｌＮＯバッファ層２の厚さよりも十分深いことが好ましい。また、窒化物半導体下地層３も凹凸形状に沿って形成されることが好ましいため、凹凸の深さは０．３μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。また、凸部と凸部の間隔は２μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。凸部の断面形状は台形状であってもよいが、凸部の上部が丸みを帯びた形状であってもよい。【０１３３】
以下に、実施の形態に示した半導体発光素子の実施例を詳細に説明する。まず、図９に示すサファイア基板１を、図４に示すＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバ２１の内部に備え付けられたヒータ２３上に設置した。【０１３４】
ここで、サファイア基板１のｃ面がＡｌターゲット２６の表面と対向し、かつＡｌターゲット２６の表面の中心とサファイア基板１のｃ面との最短距離ｄが１８０ｍｍとなるように基板１を設置した。その後、ヒータ２３によってサファイア基板１を５５０℃の温度に加熱した。スパッタ直前のチャンバ２１の内部の圧力は３×１０-5Ｐａ以下であった。【０１３５】
次に、ＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバ２１の内部に窒素ガスを４０ｓｃｃｍ、酸素ガスを０．０２ｓｃｃｍの流量で供給し、圧力を０．４Ｐａに保持した後に、サファイア基板１の温度を５５０℃に維持した。【０１３６】
そして、サファイア基板１とＡｌターゲット２６との間にＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により３３０Ｗのバイアス電圧を印加してプラズマを生成して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ法を用いた反応性スパッタにより、図９に示すように、サファイア基板１のｃ面上に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）の柱状結晶の集合体からなる厚さ３０ｎｍのＡｌＮＯバッファ層２を積層した。このときのＡｌＮＯバッファ層２の形成速度は０．０４ｎｍ／秒であった。【０１３７】
なお、図４に示すＤＣマグネトロンスパッタ装置のカソード２８中のマグネット２７は、サファイア基板１のｃ面の窒化中およびＡｌＮＯバッファ層２の積層中のいずれの場合にも揺動させておいた。また、ＡｌＮＯバッファ層２の積層は、予め測定しておいたＡｌＮＯバッファ層２の成膜速度にしたがって所定の時間だけ行なわれ、ＡｌＮＯバッファ層２の厚さが３０ｎｍとなったところで窒素プラズマを停止した。【０１３８】
次に、ＡｌＮＯバッファ層２の積層後のサファイア基板１をＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバ２１から取り出し、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に設置した。ここで、ＡｌＮＯバッファ層２の積層後のサファイア基板１は、高周波誘導加熱式ヒータで加熱するため、グラファイト製のサセプタ上に設置された。なお、ＡｌＮＯバッファ層２の積層後のサファイア基板１を抵抗加熱式ヒータで加熱する場合には、ＡｌＮＯバッファ層２の積層後のサファイア基板１は、グラファイト製のサセプタ上に設置される石英製のトレイ上に設置される。【０１３９】
その後、反応炉の内部にアンモニアガスを供給しながら、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを供給した状態でサファイア基板１０１の温度を約１５分間かけて１１２５℃まで上昇させた。ここで、反応炉の内部の圧力を常圧とし、キャリアガスである水素ガスと窒素ガスの流量比（水素ガスの流量／窒素ガスの流量）を５０／５０とした。そして、サファイア基板１０１の温度が１１２５℃で安定したのを確認した後、ＴＭＧガスの反応炉の内部への供給を開始して、図９に示すように、ＡｌＮＯバッファ層２の表面上に厚さ４μｍのアンドープＧａＮからなるＧａＮ下地層３をＭＯＶＰＥ法により積層した。なお、アンモニアガスは、ＩＩＩ族元素に対するＶ族元素のモル比（Ｖ族元素のモル数／ＩＩＩ族元素のモル数）が１５００となるように反応炉の内部に供給された。【０１４０】
次に、サファイア基板１の温度を１１２５℃として、Ｓｉのドーピング濃度が１×１０19／ｃｍ3となるようにシランガスを反応炉の内部に供給することによって、図９に示すように、ＧａＮ下地層３の表面上に厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層４をＭＯＶＰＥ法により積層した。【０１４１】
次に、反応炉の内部へのＴＭＧガスおよび水素ガスの供給を停止した後に、サファイア基板１の温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに変更した。そして、反応炉の内部の状態が安定するのを確認した後に、原料ガスとしてのＴＭＧガス、ＴＭＩガスおよびアンモニアガスを反応炉の内部に供給し、さらにはＳｉのドーピング濃度が１×１０18／ｃｍ3となるようにシランガスを反応炉の内部に供給することによって、図９に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の表面上に厚さ８ｎｍのＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎクラッド層５を積層した。【０１４２】
次に、シランガスの供給を停止した後に、ＴＭＧガスおよびＴＭＩガスを供給することによって厚さ３.５ｎｍのアンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる量子井戸層をＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎクラッド層５の表面上に積層した。さらに、続けて、シランガスの供給を開始し、ＴＭＩガスを供給停止して厚さ６ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる量子障壁層を積層した。【０１４３】
以上のような量子井戸層と量子障壁層の形成手順を繰り返すことによって、６層のアンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる量子井戸層と６層のＳｉドープｎ型ＧａＮからなる量子障壁層とが１層ずつ交互に積層された多重量子井戸構造のＭＱＷ活性層６を積層した。【０１４４】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更した。そして、反応炉の内部にＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＣＰ2Ｍｇガスを供給開始して、その後２分間に亘って供給した後、ＴＭＧガスおよびＴＭＡガスの供給を停止した。これにより、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層７をＭＱＷ活性層６の表面上に積層した。【０１４５】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持するとともに、反応炉の内部にアンモニアガスを供給しながら、ＴＭＡガスの供給を停止した。その後、反応炉の内部へのＴＭＧガスとＣＰ2Ｍｇガスの供給量を変更することによって、図９に示すように、厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１０８をｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層７の表面上に積層した。【０１４６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層８の積層後は、直ちにヒータへの通電を停止するとともに、反応炉の内部に供給されるキャリアガスを水素ガスから窒素ガスに変更した。そして、サファイア基板１の温度が３００℃以下になったことを確認して、上記の層の積層後のサファイア基板１を反応炉から取り出した。【０１４７】
次に、図９に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の表面上にＩＴＯ層９を形成した後に、ＩＴＯ層９の表面上にチタン層、アルミニウム層および金層をこの順序で積層することによってｐ側ボンディングパッド電極１０を形成した。【０１４８】
次に、図９に示すように、ｐ側ボンディングパッド電極１０の形成後の積層体の一部をドライエッチングにより除去することによって、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の表面の一部を露出させた。【０１４９】
その後、図９に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の露出した表面上にニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層をこの順序で積層することによって、ｎ側ボンディングパッド電極１１を形成した。【０１５０】
そして、サファイア基板１の裏面を研削および研磨してミラー状の面とした後に、サファイア基板１を３５０μｍ角の正方形状のチップに分割することによって、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。【０１５１】
以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ側ボンディングパッド電極１０とｎ側ボンディングパッド電極１１との間に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、順方向電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであった。なお、この順方向電圧は窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧に相当する。また、ＩＴＯ層９を通して実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光を観察したところ、その発光波長は４５０ｎｍであり、発光出力は２３．４ｍＷであった。【０１５２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光ダイオード素子、窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体トランジスタ素子などの窒化物半導体素子の製造に好適に利用することができる可能性がある。
【符号の説明】
【０１５４】
１  基板、２  ＡｌＮＯバッファ層、３  窒化物半導体下地層、４  ｎ型窒化物半導体コンタクト層、５  ｎ型窒化物半導体クラッド層、６  窒化物半導体活性層、７  ｐ型窒化物半導体クラッド層、８  ｐ型窒化物半導体コンタクト層、９  透光性電極層、１０  ｐ側電極、１１  ｎ側電極、２１  チャンバ、２３  ヒータ、２４  ヒータ支持材、２５  排気口、２６  Ａｌターゲット、２７  マグネット、２８  カソード、２９  マグネット支持材、３０，３１，３２  マスフローコントローラ、４１  第１のリードフレーム、４２  第２のリードフレーム、４３  モールド樹脂、４４  第２のワイヤ、４５  第１のワイヤ、１００，３００  窒化物半導体発光ダイオード素子、２００  発光装置。
【図１】
0005399552.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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